B站焊武帝爆火出圈：純手工拼晶體管自制CPU，耗時半年，可跑程序

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金磊 博雯 發(fā)自 凹非寺
量子位 報道 | 公眾號 QbitAI

一個人，到底能肝到什么程度？

最近B站上大火的一個視頻，或許給了這個問題一個完美詮釋：

純！手！工！自制CPU！

這位叫做“奶味的”Up主，耗時整整半年，用他那雙勤勞的雙手，“逐點”焊接，最終打造出了一個完整CPU！

手工做一個CPU能用么？

當然可以，他還做了一個demo展示，來看一下效果吧。

純手工“肝”出一個CPU，還成功運行了流水燈效果，直接引發(fā)了一大波網(wǎng)友們的驚呼：

肝帝！焊武帝！

人長在肝上了！

（感受下這滿屏的Respect）

接下來，讓我們一同看下“肝帝”自制CPU的完整過程。

純手工自制CPU

其實在發(fā)布這個視頻之前，Up主便在貼吧中“開玩笑”的說了句：

CPU太貴了，買了顯卡就買不起CPU，手工捏個出來……

萬萬沒想到，真的是說干就干。

據(jù)這位Up主介紹，他主要采用了3個原材料：

二極管、三極管和電阻。

通常來講，CPU的結(jié)構(gòu)可以大致分為運算邏輯部件、寄存器部件和控制部件等。

而他最先“下手”的，就是CPU的寄存器部分。

Up主設(shè)計了一個6位的移位寄存器：

它的作用不僅能是用來存儲，還能在時鐘信號的控制下，將數(shù)據(jù)進行進行逐次右移或左移。

簡單來說就像是一個交警叔叔，當數(shù)據(jù)從一個方向進來的時候，這個移位寄存器可以指揮它什么時候該往哪里走。

Up主處理的第二個結(jié)構(gòu)，是程序計數(shù)器?（PC）。

它作用簡單來說，就是記錄程序運行的位置。

而這也是整個項目下來最耗時、最復雜的部分，花了整整3個月之久。

程序計數(shù)器涉及的功能那可就多了。

像最基本的就是挨個字節(jié)讀完指令后，計數(shù)要自動 1；而CPU重啟之后，計數(shù)便會清零。

而且在不同的條件之下，還要能實現(xiàn)直接跳轉(zhuǎn)、調(diào)用函數(shù)、函數(shù)返回等功能。

聽著就有夠復雜的了。

奈何，除此之外，還時常伴隨著各種各樣的“玄學問題”。

Up主就舉了個例子：

花了一個多星期才在最深處找到一只焊反的二極管……

但功夫不負有心人，在經(jīng)歷3個月令人頭禿的時光之后，最復雜的模塊還是被他搞定了。

上電測試也沒有問題：

然后就是硬盤（ROM）和內(nèi)存（RAM）。

這是CPU外的比較龐大兩個部分要手搓一個不太現(xiàn)實。

因此，Up主用上了比較容易操作的hm628512來做ROM和RAM：

△左：RAM和指針 右：ROM

再將ROM和RAM組裝上去，現(xiàn)在CPU的基礎(chǔ)模塊已經(jīng)基本完成了。

接下來就是打造指令譯碼器。

它主要是用于把傳到這里的CPU指令，進行解析運行：

再把做加減乘除的運算器（ALU）加上去：

最后還得再焊一個通用緩存上去：

現(xiàn)在，這個全部由三極管、二極管和電阻焊接而成的CPU就完成了！

看到這密密麻麻的元件，工程量的浩大就不用多說。

也難怪能讓一眾網(wǎng)友直呼“肝帝”了。

還有純手寫最原始代碼

以為純手工焊接就完了？

不不不，還有更硬核的。

因為這個CPU的指令集和架構(gòu)都是自主研發(fā)的，所以沒有適配的編程語言。

那怎么能讓它跑起來呢？

這位Up主的對策是：

純手寫最原始代碼——二進制編程！

噫吁嚱！噫吁嚱！

這一手露的，直接引發(fā)了網(wǎng)友們的第二波高潮：

手寫指令集，牛皮！這才是真·寫代碼！

直接上機械碼，太狠了吧！

然后……然后……

Up主竟然就開啟了上古編程模式——“扣”程序！

面對此情此景，怎么一句“絕絕子”了得。

……

一切準備工作就緒。

接下來，便是見證奇跡的時刻。

亮燈，跑起！

但最開始，程序的運行并不是一帆風順。

即便大神重啟了幾次，跑馬燈的效果偶爾還是出現(xiàn)問題。

但bug很快被找到了：

有個地方斷開了。

與此同時，因為還沒有I/O接口，所以測試使用的燈是臨時寄存器的燈。

而且左移指令和跳轉(zhuǎn)指令都使用了同一組燈。

因此，流水燈的效果就不是非常明顯。

于是，大神重新編程，使CPU跳轉(zhuǎn)到0X0F處運行。

如此一來，在跳轉(zhuǎn)時燈就是滅的，給左移指令讓出了一條路。

一切修改完畢，重新“扣”程序，啟動！

這一次，就沒有任何的異常了。

走進“肝帝”大神

在看完這波“神級”操作之后，想必大家都想了解這位大神。

量子位幫你實現(xiàn)這個夢想。

大神原名林乃衛(wèi)，廣西北海人。

做這個項目的靈感，來源于在他寫代碼時分析可執(zhí)行文件中的二進制。

那時候大神便萌生出了一想法：

CPU是怎么執(zhí)行這一串0101的？

在結(jié)合數(shù)電課程的知識之后，大神猜測到了大致的原理，于是就想試一試。

最初他想用門級電路來做的，但是感覺難度不是很高，又想把整個過程從零開始理解透。

于是，便決定從最基礎(chǔ)的模擬電路開始。

而整個過程最難的部分，便是“器件每一級的連接”和“CPU的運行速度”：

在此之前沒有看過關(guān)于CPU原理方面的書籍，是靠自己對門電路的理解而設(shè)計的一套電路 ，想設(shè)計一套屬于自己的架構(gòu)。

從最基礎(chǔ)的三極管開關(guān)到門級電路，網(wǎng)上找的電路圖根本沒法用，需要自己設(shè)計。雖然設(shè)計好后理論通過了，但是門級之間組合成功能級器件就有新的問題，功能級的電路再多個 組合起來成為功能模塊又會產(chǎn)生新的問題，模塊與模塊之間連接更會產(chǎn)生新的問題.

這每一級的問題都很有可能要修改基礎(chǔ)電路，然后又會從頭開始產(chǎn)生新的問題。

因為沒有專業(yè)的設(shè)備去調(diào)試，我用的是一盞LED和蜂鳴器，想盡辦法也將速度提高到100kHz左右 而已,這是十分慢的，過程也十分艱難。

至于器件方面，大神均是從網(wǎng)上購得，然后再將它們一點一點地焊接成為模塊。

這個CPU大致耗費了1000多個三極管、2000多個二極管，電阻數(shù)量也達到了2000多，焊點近萬。

目前的費用大概花了1000多元。

而網(wǎng)友在彈幕中調(diào)侃居多的，還有制程方面的問題。

據(jù)大神介紹：

要是非得給它定個工藝制程，那就是2.54mm，比先進的3納米大了將近1百萬倍。

最后，Up主還表示，將在接下來的工作中，持續(xù)完善CPU的功能，讓它能夠運行更加復雜的程序。

對此，你期待了嗎？

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